ПАБВ
.pdfавтоматизованими лініями вирощування мікроорганізмів в товстому шарі середовища.
1.2 Стерилізація рідких поживних середовищ На вибір оптимального режиму стерилізації має вплив гетерогенність
рідкого середовища, його фізико-хімічні властивості, якісний та кількісний склад. Якщо середовище не містить твердих частинок і являє собою гомогенний розчин поживних речовин, то тривалість стерилізації при інших рівних умовах може бути менше, ніж для середовища, яке містить тверді частинки, так як для їх прогрівання необхідно більше часу. Більший час стерилізації необхідний і у випадку якщо в середовищі є ліпіди і велика кількість сухої речовини.
Стерилізацію поживного середовища можна вести двома способами: періодичним та безперервним. Періодичний спосіб використовується при роботі з невеликими об’ємами, наприклад в лабораторних ферментаторах і при стерилізації середовища для посівних апаратів. В цьому випадку процес ведуть в декілька етапів: 1) стерилізація ферментатора і всіх комунікацій гострим паром; 2) залив прогрітого гомогенізованого середовища; 3) нагрівання середовища до температури стерилізації; 4) витримування при цій температурі на протязі часу, який необхідний для загибелі всіх мікроорганізмів; 5) охолодження стерильного середовища в цій же ємності. Цей спосіб стерилізації досить тривалий по часу, і тому щоб запобігти істотним змінам у складі середовища процес ведуть при тиску 0,05-0,1 МПа, при температурі 110-1200С на протязі 1-1,5 г. з моменту досягнення граничної температури. Але цей спосіб малоефективний, так як ферментатори використовуються нераціонально, і від тривалої термічної обробки виникає розкладення і зміна ряду компонентів середовища. Крім того, при цьому способі великі енергетичні витрати та велика витрата води.
При безперервній стерилізації використовують більш високі температури 140-1450С і меншу тривалість витримування (1-10 хв.) при цій температурі. Запропоновано кілька конструкцій безперервних стерилізаторів. Загальним для всіх апаратів цього типу є розділення процесу на три етапи і проведення кожного з них в потоці в окремому апараті.
Рисунок 3 – Апарати безперервної стерилізації рідкого поживного середовища: а) тарілчасті нагрівальні колонки; б) витримував колонного типу; в)
витримував спірального типу.
Перший апарат, в якому середовище нагрівається до температури стерилізації, називається стерилізатором, нагрівальною колонкою або колонкою для стерилізації поживного середовища (рис.3, а). Другий апарат, де масу яка стерилізується витримують при певній температурі стерилізації, називають витримувачем. Він призначений для продовження часу стерилізації і досягнення максимальної загибелі мікрофлори. Апарат може бути виконаний у вигляді циліндричної ємності, колони з полицями або тарілками, які забезпечують більш рівномірний прогрів усієї маси середовища, або у вигляді спірального теплообмінника (рис. 3, б,в). Третій апарат – це теплообмінник, якій призначений для охолодження стерильного поживного середовища до температури, яка оптимальна для засівання.
Рисунок 4 – Установка безперервної стерилізації УНС-20: 1 – приймальна ємність; 2 – насос; 3 – нагрівач-стерилізатор; 4 –
витримувачі; 5 – пробовідбірник; 6 – теплообмінник-рекуператор; 7 – теплообмінник-охолоджувач; 8 – ферментатор.
Широке розповсюдження отримала установка безперервної стерилізації (УНС), в яких стерилізація ведеться при 1400С на протязі кількох хвилин. Вони мають продуктивність від 5 до 503 стерильного середовища за годину. Такі установки складаються з ємності для нестерильного поживного середовища, насосів, нагрівача-стерилізатора, витримувала, охолоджувача та системи автоматичного керування. На рис. 4 наведена принципова схема установки для безперервної стерилізації продуктивністю 20 м3/г. Стерилізація в цій установці ведеться при температурі 130-1350С на протязі 3-15 хв. Використовуються також роторні стерилізатори безперервної дії та ряд інших установок.
1.3 Стерилізація апаратури та комунікацій При поверхневому культивуванні стерилізують апаратуру для
приготування посівного матеріалу (ємності для посіву, кювети, ємності для води, для приготування посівної суспензії, посівні комунікації), а також виробничі кювети. Стерилізація кювет і скляного посуду в посівному відділенні проводиться сухим паром при температурі 1600С не менше ніж 60 хв. Апаратуру та комунікації стерилізують гострим паром. Приміщення, особливо посівні бокси стерилізують опроміненням за допомогою спеціальних бактерицидних ламп.
Стерилізація апаратів та комунікацій має велике значення при глибинному способі культивування. Сама дбайлива стерилізація може не дати ефекту, якщо порушена герметичність обладнання. При стерилізації обладнання є небезпека
навіть при високих температурах не досягти стерильності в результаті того, що в процесі теплової обробки внутрішніх порожнин апаратів виникає конденсація пари у стінок. Повітря, яке виділяється з паро газової суміші, покриває стінки апарата повітряною плівкою, в результаті чого погіршується умови нагрівання стінок апаратів. Погано піддаються стерилізації різні патрубки та люки, так як в них утворюються повітряні пробки. Для покращення умов стерилізації при конструюванні апаратури необхідно скорочувати кількість впаяних штуцерів, збільшувати їх діаметр та зменшувати висоту відвідних та підвідних магістралей.
Усі вентилі перед встановленням перевіряють гідравлічним опресовуванням при тиску 0,3 МПа. Для герметизації фланців та кранів використовують прокладки з параніту, який оброблено графітом, для герметизації кришок апаратув використовують шнур з прогумованої тканини діаметром до 19 мм, а для люків – гуму товщиною 14 мм.
Перед завантаженням середовища перевіряють сальникове ущільнення мішалки, так як в процесі стерилізації щільність його може змінитися.
2. Очищення та стерилізація повітря.
Більшість продуцентів ферментів є аеробами, тому для їх нормального розвитку в процесі культивування необхідно подавати в достатній кількості стерильне повітря. Повітря, після аерації культури, яка росте, може містити спори або клітини мікроорганізму, тому повітря, яке викидається в навколишнє середовище також необхідно очищати.
Існує кілька способів очищення та стерилізації повітря, які основані на двох принципах: приведення до загибелі мікроорганізмів та їх механічне відділення. Перший принцип лежить в основі методів дії високих температур, ультрафіолетового та іонізуючого опромінення і т.п. Використання хімічних стерилізуючи агентів недопустимо, так як їх сліди в апаратах можуть негативно впливати на розвиток мікроорганізмів-продуцентів. Використання методу дії сухого тепла для стерилізації повітря при температурі до 3000С ефективно вбиває мікрофлору, але економічно не обґрунтовано.
Найбільше розповсюдження в ферментній промисловості отримала стерилізація повітря методом фільтрування крізь волокнисті або зернисті фільтруючі елементи. На ефект стерилізації повітря методом фільтрування впливає ступінь забрудненості повітря, оскільки самі мікроорганізми мають розміри від 0,01 до 25 мкм, але вони осідають на частинки пилу, і ступінь їх уловлювання залежить від розмірів цих частинок. Вибір і розрахунок очищення повітря ведеться по значенню максимальної забрудненості для даної місцевості з урахуванням розміру частинок пилу.
Апаратне оформлення стадії підготовки та очищення повітря залежить від способу культивування продуцента. При поверхневому способі культивування вимоги до стерильності повітря менш жорсткі, чим при глибинному, і навіть допускається рециркуляція повітря. Підготовка повітря для аерації при поверхневому культивуванні проводиться у відділенні для кондиціювання повітря, яке розміщується над рослинними камерами. Цей процес складається зі наступних послідовних операцій: очищення повітря від грубих механічних домішок; попереднє кондиціонування повітря до певної температури; подача повітря в головний вентилятор; тонке очищення повітря від мікроорганізмів і кінцеве очищення в індивідуальному фільтрі. При поверхневому способі культивування 90% повітря, яке виходить з рослинних камер, поступає на рециркуляцію крізь індивідуальний кондиціонер, а 10% після попереднього очищення вертається в атмосферу. Принципові схеми очищення, кондиціонування та рециркуляції повітря у виробництві при поверхневому та глибинному культивуванні зображені на рис. 5 та 6.
Підготовка до глибинного культивування має деякі відмінності – замість головного вентилятора використовують компресори. Потужність компресора підбирають з таким розрахунком, щоб забезпечити подачу повітря через всю систему в ферментатори і щоб в процесі культивування підтримувався надлишковий тиск 0,01-0,03 МПа. На шляху проходження від компресора до ферментатора повітря долає опір: в системі апаратів та комунікацій (близько 0,03 МПа); в фільтруючому шарі (близько 0,02 МПа); опір стовпа рідини у
ферментаторі (0,04-0,06 МПа); при виході з барботажного пристрою у результаті розширення (0,01-0,02 МПа).
Рисунок 5 – Система очищення та стерилізації повітря для поверхневого культивування продуцентів:
1-рослинна камера; 2-розподілювач повітря; 3-стерилізуючі колонки; 4-бак для стерилізації води; 5-бак для формаліну; 6-бак для аміаку; 7-насос для подачі рецмркуляційної води до форсунок зрошуючої камери; 8-кондиціонер повітря; 9-вентилятор; 10-спарені клапани з автоприводом; 11-кип’ятильник; 12-бак з охолоджуючим змійовиком; 13-вентилятори осьові; 14-форсунки для зволоження; 15-парові форсунки для дезинфекції; 16-перфоровані труби для
пару; 17-калорифери.
Рисунок 6 – Схема очищення та стерилізації повітря для глибинного культивування продуцентів:
1-фільтри; 2-відокремлювач оливи; 3-холодильник; 4-ресивер; 5-поршньовий компресор; 6-турбокомпресор; 7-головні фільтри; 8-індивідуальний фільтр; 9-фільтр для
відпрацьованого повітря.
Для стиску та нагнітання повітря можна використовувати поршневі компресори або турбокомпресори. Поршневі компресори мають високий к.к.д., вони прості в роботі, але мають невисоку продуктивність і забруднюють оливою повітря, яке в них поступає. В цьому відношенні кращі технологічні характеристики мають турбокомпресори, в яких стискання повітря відбувається під дією центр обіжної сили. Вони більш складні в обслуговуванні але мають більшу продуктивність і не забруднюють повітря оливою.
Стискання повітря супроводжується його сильним нагріванням, тому повітря після компресора поступає в холодильник. Щоб видалити з повітря вологу його необхідно охолодити. Перед фільтрами встановлюють одну велику ємність (ресивер) або систему невеликих ємностей, які призначені для вирівнювання тиску в системі та забезпечення рівномірної подачі повітря на фільтри.
Повітря, яке відводиться з ферментатора після аерування зростаючої культури,очищується в системі фільтрів і викидається в атмосферу.
У відповідності з технологічною схемою отримання стерильного стисненого повітря усі фільтруючі матеріали можливо поділити на три групи: матеріали для попереднього очищення повітря, матеріали для стадії грубого очищення (головні фільтри) і матеріали для стерилізації повітря (індивідуальні фільтри). Для нормальної роботи фільтруючих матеріалів необхідно підтримувати в системі підготовки повітря оптимальний термодинамічний режим. Конденсація вологи з повітря та її можливе накопичення в трубопроводах може привести до забруднення процесу. Попадання вологи на фільтруючі матеріали зменшує ефективність фільтрування і збільшує опір матеріалу потоку повітря.
Високоефективними фільтруючими матеріалами є азбестно - целюлозний папір та картон. Волокна целюлози товщиною близько 15 мкм є каркасом, на якому лежать волокна азбесту товщиною в десяті долі мікрометра, які і затримують частинки.
Пористі матеріали виготовляють з полівінілового спирту, металів, кераміки, ацетилцелюлози. Фільтруючі матеріали цього типу використовуються у
вигляді пластин або циліндричних патронів мають селикий термін служби і добре стерилізуються паром.
Конструктивне оформлення процесу фільтруючої стерилізації повітря залежить від великої кількості факторів і в першу чергу від виду матеріалу, з якого виконано фільтр. Конструкція апарату повинна забезпечувати дві головних вимоги до характеру потоку газу: перпендикулярність потоку газу до поверхні і рух газу тільки крізь шар матеріалу. Перпендикулярність волокон потоку газу – необхідна умова ефективного осадження. Для насадок з волокнистих матеріалів великої товщини або тих які не міцні на згин використовують фланцеві (касетні) апарати Ф1 та Ф2; для тонких та гнучких – гільзова (патронна) конструкція (рис.7). Для запобігання руху повітря в пристінному шарі фланцевої конструкції Ф1 кінці матеріалу затискаються в фігурних фланцях, які вільно переміщуються в корпусі і затискаються болтами.
Рисунок 7 – Схема аерозольних фільтрів, які виготовлені з волокнистих матеріалів:
а, б – фланцеві фільтри; в – патронний фільтр П.
Однак навіть при великих зусиллях стискання деяка кількість повітря проникає крізь верхні диски матеріалу в зазори між фланцями, корпусом і болтами. Ці недоліки усунені в конструкції Ф2, де фланці з текстоліту або металу монолітно встановлені в корпусі фільтра. В кожній фільтруючій касеті з
листового металу вставлено диск з волокнистого матеріалу, який затиснутий між сітками і відділено від фланців гумовими прокладками.
Лабораторна робота № 3.
Тема: Виробниче культивування мікроорганізмів.
Мета: Ознайомитися з методами культивування мікроорганізмів. Культивування продуцентів ферментів можна вести поверхневим та
глибинним способами.
Глибинним методом вирощують мікроорганізми і рідкому поживному середовищі, і цим методом можна виростити як аеробні так і анаеробні мікроорганізми. Переважна більшість продуцентів ферментів – аероби, тому при глибинному культивуванні, як і при поверхневому, застосовують примусове аерування культури організму який росте.
1. Поверхневе культивування мікроорганізмів.
Процес культивування продуцента починається з моменту засівання охолодженого поживного середовища посівним матеріалом. Засівання середовища при періодичній стерилізації проводиться безпосередньо в стерилізаторі в охолоджене середовище при постійному перемішуванні. При безперервній стерилізації середовище засівають у відсіку стерилізатора, де воно охолоджується, а засіяне середовище передають в цех вирощування.
Поверхневе культивування мікроорганізмів може проводитися різними способами. Традиційним є кюветний спосіб, який вимагає застосування ручної праці і великих виробничих площ. Більш новим методом є вирощування продуцентів в механізованих установках.
Кюветний спосіб вирощування. Елементарною коміркою для вирощування є кювета – ємність чотирикутної форми площею 0,25 – 0,50 м2 і висотою 20 – 50 мм. Вона виготовляється з листа металу з перфорованим дном. Кювети бувають відкриті і з кришкою. Найбільше розповсюдження отримали відкриті кювети з оцинкованого заліза з перфорованим дном.
Кювети заповнюють зволоженим засіяним середовищем шаром 2 – 2,5 см і транспортують в рослинні камери, де кювети розміщують на багатоярусних рухомих стелажах. Як зазвичай на стелажах розміщено 18 ярусів із загальною висотою не більше 2 м. Перед погруз кою кювет камеру миють і дезинфікують